1. Joule：燃料电池堆重新设计和组件集成从根本上提高了功率密度
传统通道肋流场和气体扩散层（GDL）的缺点极大地限制了质子交换膜燃料电池（PEMFC）的传质和水管理能力，影响了体积功率密度。近日，天津大学Michael D. Guiver，Kui Jiao报道了一种由石墨烯涂层镍泡沫和超薄（9.1毫米）碳纳米纤维膜组成的电极流场集成的无GDL设计，作为传统通道肋流场和GDL的替代品，它大大减少了膜电极组件的体积（90%））、反应物传输距离（96%）和浓度阻抗（88.6%），导致功率密度显着增加50%。1）无GDL设计为集成电极流场的合理设计提供了有效的策略，并将指导PEMFC在能量转换技术中的实际应用的未来发展。2）研究人员估计，采用无GDL设计的PEMFC堆可实现的峰值体积功率密度为9.8kWL1，与最先进的商用PEMFC堆相比增加了80%以上。
Tongsh et al., Fuel cell stack redesign and component integration radically increase power density, Joule (2023)DOI：10.1016/j.joule.2023.12.003https://doi.org/10.1016/j.joule.2023.12.003
2. Joule：具有阳离子双位移的单片钙钛矿/钙钛矿/硅三结太阳能电池 2.0 eV 钙钛矿
钙钛矿/钙钛矿/硅三结太阳能电池有望在性能上超越双结太阳能电池。要实现这一目标，需要单片集成2.0eV带隙钙钛矿子电池，其特点是高溴化物：碘化物比率（>7:3），并具有低温可加工性和高光电质量。然而，此类钙钛矿中的光诱导相分离仍然是一个挑战。 近日，为了解决这个问题，阿卜杜拉国王科技大学Stefaan De Wolf，Erkan Aydin，Fuzong Xu用硫氰酸钾（KSCN）和碘化甲基铵（MAI）辅助添加剂对宽带隙钙钛矿进行改性，其中SCN增加了钙钛矿晶粒尺寸，降低了晶界缺陷密度；K+固定卤化物，防止卤化物空位的形成；MA+通过双置换反应消除了钙钛矿薄膜中残留的光不稳定SCN。1）共添加剂策略可以增强光稳定性，而单独使用MAI和KSCN会导致不利影响。2）三结串联太阳能电池采用共添加剂改性的2.0 eV钙钛矿作为顶部电池吸收器，在1 cm2面积上达到3.04 V开路电压和26.4%的PCE。
Xu et al., Monolithic perovskite/perovskite/silicon triple-junction solar cells with cation double displacement enabled 2.0 eV perovskites, Joule (2023)DOI：10.1016/j.joule.2023.11.018https://doi.org/10.1016/j.joule.2023.11.018
3. Matter：有机软多孔晶体的局部和全局动力学
有机软多孔晶体（OSPC）因其在客体捕获、气体存储、分离和调制光电子学方面的潜在应用而受到广泛关注。OSPC 内的扩散过程被认为受到电子亲和力、客体尺寸、形状以及重要的是其主链的动态行为等因素的影响。近日，墨西哥国立自治大学Braulio Rodrı´guez-Molina重点介绍了近年来报道的这些多孔晶体的代表性研究。1）作者重点关注分子成分中具有运动的材料。此外还描述了分段动力学也与晶格变化相关的实例，从而在内部和全局运动以及其他可观察量之间建立了潜在的三向联系。2）通过深入研究这些材料的动态特征，本综述旨在引发详细的分析和讨论，并鼓励对该主题进行更多研究，这将有助于更好地理解多孔有机晶体的有趣特性。
Herna´ndez-Santiago et al., Local and global dynamics in organic soft porous crystals, Matter (2023)DOI：10.1016/j.matt.2023.11.020https://doi.org/10.1016/j.matt.2023.11.020
4. JACS：用于重组酶纯化和多相生物催化的共价有机框架
重组酶因其多样化的功能和特异性而受到关注，并且通常是生物催化中更环保的替代品。这种情况使得从宿主细胞和其他杂质中纯化重组酶变得至关重要。主要目标是分离感兴趣的纯酶并确保其在环境条件下的稳定性。共价有机框架(COF)以其良好的有序结构和渗透性而闻名，为纯化组氨酸标签(His标签)酶提供了一种有前途的方法。此外，将酶固定在COF中代表了多相生物催化领域的一个不断发展的领域。在这项研究中，印度科学教育研究所Satyadip Paul，Supratim Datta，Rahul Banerjee开发了一种基于流的技术，利用注入镍的共价有机框架(Ni-TpBpyCOF)来结合两个不同的过程：同时纯化His标记的酶和酶的固定化。1）研究工作主要集中于纯化三种组标记酶β-葡萄糖苷酶、纤维二糖水解酶和内切葡聚糖酶以及两种不同分子量的蛋白质，即绿色荧光蛋白(27kDa)和BGRho(88kDa)。2）研究人员采用Ni-TpBpy作为列矩阵来展示我们系统的多功能性。此外，成功获得了固定有酶的Ni-TpBpyCOF，它可以作为对硝基苯基-β-D-吡喃葡萄糖苷和羧甲基纤维素水解的非均相催化剂。这些固定化酶表现出与游离酶相当的催化活性，并具有可回收性和在环境条件下长期（60至90天）稳定性增强的优点。这与游离酶形成鲜明对比，游离酶不能随着时间的推移有效地保持其活性。
Satyadip Paul, et al, Covalent Organic Frameworks for the Purification of Recombinant Enzymes and Heterogeneous Biocatalysis, J. Am. Chem. Soc., 2023DOI: 10.1021/jacs.3c11169https://doi.org/10.1021/jacs.3c111695. JACS：低温水暴露和去除对 HY 沸石的影响对工业上重要的 Y 型沸石进行水相合成后改性通常用于改变总酸位浓度、引入稳定的稀土阳离子、通过金属阳离子交换赋予双功能特性以及定制布朗斯特德和路易斯酸位的分布。已知在超过 100 °C 的温度下，在气相和液相水存在的情况下，Y 型沸石会发生骨架降解，而稀土交换和稳定的 HY 催化剂由于其较高的水热弹性而通常用于流化催化裂化。在这里，俄克拉荷马州立大学Jeffery L. White利用详细的光谱学、晶体学和流动反应器实验，揭示了即使暴露于室温液态水后，HY 型沸石的布朗斯台德酸位点 (BAS) 密度也会出现意想不到的降低。1）这些数据表明，通常用于改性Y沸石的水相离子交换程序受到液态水及其去除的影响，即使当使用比标准实践严格得多的分级加热速率和惰性条件用于催化剂脱水时也是如此。2）X 射线衍射、热重和光谱分析表明，大部分骨架降解发生在去除 HY 中强结合水部分的过程中，而当 NH4Y 浸入液态水中时不会形成这种部分，从而导致 HY 中的酸度降低，甚至当脱水条件比通常采用的条件温和得多时。3）通过室温水溶解制备的 Na+ 交换的 HY 表明，布朗斯台德酸位点的损失超过了钠滴定可能的理论最大值。低温水相离子交换方法的结构影响使后续数据的解释变得复杂，并可能解释了报道的高铝含量 HY 沸石的酸位浓度和催化活性的广泛变化。
Anya Zornes, et al, Impact of Low-Temperature Water Exposure and Removal on Zeolite HY, J. Am. Chem. Soc., 2023DOI: 10.1021/jacs.3c12437https://doi.org/10.1021/jacs.3c124376. PNAS：高性能钾离子电池中具有高电子态活性位点的工程接触弯曲界面钾离子电池（PIBs）因其丰富的钾资源和低廉的成本而受到了人们的极大关注，被认为是一种可持续的储能技术。近日，福建师范大学Li Xiaoyan、Chen Yuming、悉尼科技大学汪国秀报道了在碳纳米管（CNTs）上具有接触弯曲界面（CCI）的氮掺杂、富含缺陷的中空碳纳米球，即CCI-CNS/CNT，以促进电子转移和钾离子吸附。1) 密度泛函理论计算验证了工程CCI显著增强了费米能级附近的电子态，从而促进了电子转移。此外，CCI对钾离子表现出显著的亲和力，并促进了它们的吸附，随后有利于钾的储存。2) 合理设计的CCI-CNS/CNT阳极具有显著的循环稳定性和倍率性能。该工作提供了一种通过CCI工程提高碳质材料储钾性能的策略，从而可以进一步推广到其他电池系统。
Xuan Li, et al. Engineering contact curved interface with high-electronic-state active sites for high-performance potassium-ion batteries. PNAS 2023DOI: 10.1073/pnas.2307477120https://doi.org/10.1073/pnas.23074771207. PNAS：基于废锂离子电池高效催化剂的硫氧化辅助自供电制氢系统利用电催化技术将废旧锂离子电池和工业废水转化为高附加值物质对可持续能源发展和环境保护具有重要意义。近日，清华大学Zhou Guangmin提出了一种自供电系统，其使用硫化物燃料电池（SFC）为双电极电催化硫氧化反应（SOR）辅助氢气（H2）生产电解槽（ESHPE）供电，其中含硫废水用作液体燃料，并且产物为清洁水、硫和氢气。 1) 自供电系统的催化剂主要由废LIBs制备以降低成本，例如由废LiCoO2制备的双功能Co9S8催化剂用于SOR和析氢反应（HER）。作者以废LiFePO4为原料，制备了Fe–N–P共掺杂珊瑚状碳纳米管阵列封装的Fe2P（C-ZIF/sLFP）催化剂，用于氧还原反应。Co9S8催化剂在SOR和HER中都具有优异的催化活性，其在ESHPE中仅需0.426 V的低电池电压就可达到20 mA cm−2的电流密度。2) 以Co9S8为阳极、C-ZIF/sLFP为阴极的SFC在20 mA cm−2下具有0.69 V的开路电压和300 h的长放电稳定性。通过集成SFC和ESHPE，自供电系统提供了0.44 mL cm−2 min−1的氢气生产速率。该工作利用废LIBs制备的高性能催化剂构建了一个自供电系统，将含硫废水转化为纯净水并制备氢气，这有望实现高经济效益、环境修复和可持续发展。
Boran Wang, et al. Sulfion oxidation assisting self-powered hydrogen production system based on efficient catalysts from spent lithium-ion batteries. PNAS 2023DOI: 10.1073/pnas.2317174120https://doi.org/10.1073/pnas.23171741208. PNAS：通过热打印策略精确排列界面上的金属原子大多数催化反应的动力学和途径取决于存在的界面，这使得在反应界面上精确构建高活性单原子位点成为一个重要目标。近日，中国科学技术大学Lin Yue、Wu Yuen，Huang Zhou提出了一种热打印策略，该策略不仅将金属原子排列在二氧化硅和碳层界面，还通过强配位来稳定它们。1) 该策略依赖于纳米颗粒在两个接触基板之间的受控迁移，以及在高温下从纳米颗粒表面发射原子。作者通过原位透射电子显微镜观察到，单个Fe3O4纳米颗粒在高温下像液滴一样从SiO2球体的核心迁移到表面，并沿着SiO2和碳层的界面移动，从而释放金属原子，直到其完全消失。2) 这些分离的原子被碳层中的氮和硫缺陷捕获，以产生Fe单原子位点，其对氧还原反应表现出优异的催化活性。此外，还可以通过控制Fe3O4纳米颗粒在两个表面之间的尺寸来调节位点的密度。该策略适用于合成Mn、Co、Pt、Pd、Au单原子位点，为各种应用提供了在不同载体界面上排列单原子位点的通用途径。
Lin Tian, et al. Precise arrangement of metal atoms at the interface by a thermal printing strategy. PNAS 2023DOI: 10.1073/pnas.2310916120https://doi.org/10.1073/pnas.2310916120 9. PNAS：通过质子供体促进CF4分解的C–F键活化四氟甲烷（CF4）是最简单的全氟碳化合物，由于其强大的红外辐射吸附能力，导致其是一种永久有效的温室气体。高度对称和稳定的C–F键结构使其活化成为一个巨大的挑战。近日，中南大学Liu Min利用质子化硫酸盐（-HSO4）修饰的Al2O3@ZrO2(S-Al2O3@ZrO2)催化剂有效活化C–F键，导致高效地CF4分解。1) 通过结合原位红外光谱测试和密度函数理论模拟，作者证明了引入的–HSO4质子供体比羟基（–OH）质子供体对C–F键具有更强的相互作用，可以有效地拉伸C–F键并对其进行活化。2) 因此，S-Al2O3@ZrO2催化剂在580°C的低温下实现了100%的CF4分解，周转频率比未经-HSO4改性的Al2O3@ZrO2催化剂高8.3倍。该工作为在低温下实现有效的C–F键活化以分解CF4铺平了道路。
Yingkang Chen, et al. Promoting C–F bond activation via proton donor for CF4 decomposition. PNAS 2023DOI: 10.1073/pnas.2312480120https://doi.org/10.1073/pnas.2312480120全固态电池具有高界面电阻和锂枝晶生长，导致低的Li电镀/剥离库仑效率(CE )< 90 %，以及高容量下的低临界电流密度。马里兰大学王春生教授等通过在Li6PS5Cl电解质和Li阳极之间插入混合离子-电子导电(MIEC)和疏锂LiF-C-Li3N-Bi纳米复合中间层，同时解决了这两个挑战。1）在0.2mA cm-2/0.2 mAh cm-2和> 3.0mA cm-2/3.0 mAh cm-2的临界电流密度(CCD)下，Li电镀/剥离CE显著增加到99.6%。具有高离子电导率(10-5S cm-1)和低电子电导率(3.4×10-7S cm-1)的高度疏锂的LiF-C-Li3N-Bi中间层使Li能够镀在集流体(CC)表面上，而不是Li6PS5Cl表面上，从而避免Li6PS5Cl电解质还原。在CC上初始镀锂期间，锂渗入多孔LiF-C-Li3N-Bi中间层，锂化Bi纳米粒子进入Li3Bi。LiF-C-Li3N-Li3Bi子中间层中的亲锂Li3Bi和Li3N纳米粒子将与镀覆的Li一起移动到CC，在随后的Li剥离期间形成LiF-C/Li3N-Li3Bi亲锂/亲锂子层。2）这种中间层使得面积容量为1.4 mAh cm-2的Co0.1Fe0.9S2/Li6PS5Cl/Li电池在150mA g-1下的循环寿命超过850次。疏锂/亲锂中间层使得固态金属电池能够同时实现高能量和长循环寿命。
H. Wan, et al, Interface Design for High-Performance All-Solid-State Lithium Batteries. Adv. Energy Mater. 2023, 2303046.DOI: 10.1002/aenm.202303046https://doi.org/10.1002/aenm.20230304611. AFM：不对称Ce−O−Zn位点上CH4和CO2光催化偶联制备乙醇甲烷（CH4）氧化为增值化学品是非常具有挑战性的，因为CH4在环境条件下具有高度惰性的化学性质，并且在升高的温度和压力下容易过度氧化为二氧化碳（CO2）或一氧化碳（CO）。针对这一挑战，复旦大学郑耿锋、Han Qing通过使用具有掺杂铈（Ce）的氧化锌（ZnO）光催化剂证明了不对称Ce−O−Zn位点可实现CH4和CO2光催化偶联制备乙醇1) 在光照下，CO2吸附在Ce原子上并被光还原为CO，CH4被Zn原子捕获并被光氧化为CH3OOH。Ce和Zn原子在Ce─O─Zn位点上的紧密接触允许其进一步将CO和CH3OH偶联生成乙醇。2) 在没有额外的氧气（O2）氧化剂或牺牲剂的情况下，乙醇的生产速率达到580µmol g−1 h−1。该工作通过不对称反应位点将两种温室气体转化为增值化学品，并促进了CH4和CO2利用的发展。
Shuya Hao, et al. Photocatalytic Coupling of CH4 and CO2 to Ethanol on Asymmetric Ce−O−Zn Sites Adv. Functional Mater. 2023DOI: 10.1002/adfm.202314118https://doi.org/10.1002/adfm.20231411812. AFM：路易斯酸催化有机碘开环反应同时生成氧化还原介体和混合SEI面对高过电位、严重的锂腐蚀和活性氧引起的电解质降解，锂氧电池的发展受到严重限制。尽管碘物种是降低充电过电位的有效氧化还原介质（RM），但氧化的I3−穿梭会攻击锂金属阳极，损害RM的数量、循环稳定性和能源效率。近日，浙江大学陆俊、西南交通大学Chen Weirong、Zhang Xiaoping、电子科技大学Fan Cong将3-碘氧杂环丁烷（C3H5OI，IOD）引入TEGDME基电解质中，并在Li表面形成保护性SEI层，以抵御I3-的攻击。 1) 由于IOD中的碘很难离解，作者将三氯化铝（AlCl3）作为催化剂来离解I−并引发C3H5O+离子的开环反应。这不仅可以离解氧化还原对I3−/I−，还可以在亲核试剂的攻击下形成低聚物或聚合物。此外，AlCl3可以形成Al2O3和LiCl无机物种。2)总之，将IOD和AlCl3引入电解质中可以有效获得降低的过电位和由柔性有机物和刚性无机物组成的原位SEI层，使锂氧电池在150次循环中具有显著提高的稳定性和寿命。
Qian-Yan Wang, et al. Simultaneously Generating Redox Mediator and Hybrid SEI for Lithium–oxygen Batteries by Lewis Acid Catalyzed Ring-opening Reaction of Organic Iodine. Adv. Functional Mater. 2023 DOI: 10.1002/adfm.202312723https://doi.org/10.1002/adfm.202312723
